- SETI, Difesa Planetaria e la Rocca degli Sforza -

Cosa accomuna il progetto internazionale per la ricerca di intelligenze extraterrestri, lo studio del pericolo di impatto di corpi celesti contro la Terra e la nota famiglia medievale? Apparentemente nulla.

Tuttavia, questi tre elementi ci hanno ispirato ad organizzare una visita a Imola (Bo) e dintorni.

Conferenza a Imola 

Durante il ciclo di conferenze "Università Aperta", organizzato dal Professore Fabio Foschi per le scuole medie superiori, il noto fisico Claudio Maccone (studioso di missioni spaziali avanzate) è intervenuto personalmente presentando una delle sue ultime pubblicazioni scientifiche internazionali "Planetary defense from the nearest 4 Lagrangian points plus RFI*-free radioastronomy from the farside of the Moon: a unified vision".

*Radio Frequency Interference 

L'incontro si  è suddiviso in due momenti: nel primo Maccone ha presentato la possibilità di utilizzare i punti Lagrangiani Terra-Luna per molteplici scopi, nel secondo si è visto come si potrebbe utilizzare la faccia nascosta della Luna per osservazioni radioastronomiche, in particolare per il progetto SETI*.

*Search for ExtraTerrestrial Intelligence

Cosa sono i punti Lagrangiani

In un sistema rotante costituito da due corpi che interagiscono tra loro attraverso la legge di gravitazione universale di Newton (come il pianeta Terra fa col suo satellite naturale, la Luna) si individuano 5 punti geometrici nello spazio, detti di Lagrange a ricordo del famoso matematico torinese che li calcolò, dove le mutue forze di attrazione e la forza centrifuga generata dalla rotazione dei due corpi celesti si equilibrano perfettamente. Tre di essi si trovano lungo la retta passante per i centri di massa dei due corpi (chiamati L1, L2 e L3); essi sono di equilibrio instabile (per cui una eventuale perturbazione apportata ad un corpo posizionato in questi punti porterebbe al repentino allontanamento di quest'ultimo dalla sua posizione di equilibrio), mentre i restanti due (chiamati L4 e L5) formano due triangoli equilateri con un lato in comune, che corrisponde al segmento Terra-Luna (vedi figura sottostante).

Utilizzo dei punti lagrangiani

Un eventuale corpo il cui baricentro sia posizionato proprio su questi punti non subirà nessuna modifica della sua posizione da parte dei due corpi principali a meno di eventuali perturbazioni. Immaginate quali possono essere i vantaggi di una simile condizione: si potrebbero piazzare degli avveneristici hotels (come pensa di fare l'americana Hilton) che godrebbero di spettacolari viste sulla Terra e/o Luna (nel prezzo è incluso un giro attorno al nostro satellite naturale!); un ben più importante studio riguarda, invece, la possiblità di posizionare delle stazioni spaziali tipo la attuale ISS (in fase di costruzione), o addirittura delle "torri di guardia" costituite da basi missilistiche di difesa planetaria contro la possibile caduta di asteroidi o comete verso di noi (ipotesi suggerita da Maccone nel suo lavoro precedentemente citato).

La posizione strategica di tali basi eviterebbe un continuo intervento artificiale per mantenere fissa la loro posizione e orientazione, la quale risulta essere geometricamente ottimale per deviare la traiettoria di pericolosi corpi in avvicinamento.

Farside della Luna

Il secondo momento della serata è stato dedicato al lato nascosto della Luna (farside). L'idea di base è quella di sfruttare il satellite naturale della Terra come scudo dalle radiazioni elettromagnetiche artificiali e naturali di origine terrestre. Il notevole abbattimento di tali disturbi (si parla di attenuazioni maggiori di 100 dB, cioè i segnali interferenti giungerebbero nel farside con una potenza almeno 10 miliardi di volte inferiore) consentirebbe un'osservazione radioastronomica dell'universo eccezionale, soprattutto se paragonata alla qualità delle osservazioni terrestri. In particolare, si pensa di scrutare i segnali provenienti dallo spazio installando una o più antenne per la ricerca SETI nel "farside" della Luna e, su proposta di Maccone, precisamente nel cratere Daedalus. La scelta di questo cratere è dettata dal fatto che esso si trova quasi perfettamente dal lato opposto alla Terra. Precedenti studi avevano individuato altri crateri probabili che, anche se nascosti alla Terra, erano però prossimi al disco lunare che la Terra vede di continuo. Attualmente lo scopo di rimanere protetti dai disturbi rappresentati dalle radiazioni elettromagnetiche di origine terrestre avrebbe avuto comunque successo, ma se ci si confronta con lo spazio e con la scienza di frontiera, che ne studia la natura e le varie possibilità tecnologico-applicative che la mente umana riesce a dedurne da esso, un corretto approccio al problema è quello di pensare di realizzare progetti a lungo termine tentando di prevedere quali saranno le scoperte e le "utilizzazioni" dello spazio per i prossimi anni. Ecco che quindi se un giorno verranno utilizzati i due punti di Lagrange di equilibrio stabile posizionando su di essi delle costruzioni che comunicheranno con la Terra, le loro trasmissioni interferiranno sulla Luna per una porzione maggiore che della semplice faccia a noi visibile, riducendo quindi il cono d'ombra che sarà veramente schermato dai nostri segnali artificiali. In previsione di questo, la soluzione migliore è rappresentata da una base lunare per osservazioni radioastronomiche posizionata il più lontano possibile dalla Terra, magari sul cratere Dedalus appunto.

Vi sarebbero poi ulteriori vantaggi nell'utilizzare il farside lunare per le osservazioni radioastronomiche, oltre alla già discussa naturale schermatura dalle radiointerferenze provenienti dalla Terra: l'atmosfera (completamente assente sulla Luna) ci consente di osservare il cielo solo su certe bande di frequenze (alle quali essa risulta sufficientemente trasparente) e inoltre attenua molto i già deboli segnali provenienti dalle radiosorgenti perché i gas atmosferici assorbono l'energia trasportata dall'onda elettromagnetica. Inoltre, la sua natura turbolenta è causa di scintillazione, cioè di un'apparente "sfarfallio" del segnale, che si traduce ancora in un disturbo.

Tutto questo sulla Luna non avverrebbe.

Inoltre, la scarsa gravità lunare consentirebbe di realizzare anche antenne enormi, impensabili sulla Terra (il più grande radiotelescopio costruito sulla Terra si trova ad Arecibo, Puerto Rico, nelle Isole Antille ed è un riflettore sferico del diametro di 305 m incassato in una valle naturale) perché qui verrebbero schiacciate dal proprio peso.

Centro di Radioastronomia di Medicina

...Stare seduti di notte con alle spalle una parabola di 32 metri che scruta il cielo continuamente, sentendo gli organi meccanici muoversi, procurando spostamenti di centimetri di questo enorme occhio, spostamenti corrispondenti a galassie enormemente distanti da lì, da dove si sta guardando, osservando oggetti celesti proibiti alla nostra vista, concedendo parte della sua speranza alla convinzione che lì, da qualche parte, qualcuno stia facendo la stessa cosa,

stare seduti di notte con alle spalle...

Villafontana, fraz. di Medicina, (cittadina della provincia di Bologna, ad alcuni kilometri da Imola), accoglie il più importante centro di osservazione radioastronomico italiano (l'Istituto di RadioAstronomia, IRA, del Consiglio Nazionale delle Ricerche, CNR), guidato dall'Ing. Stelio Montebugnoli con la collaborazione dell'Ing. Jader Monari e dell'Ing. Marco Poloni.

Il gruppo di ricerca osserva lo spazio attraverso due differenti antenne, per forma e potenzialità.

La Croce del Nord e l'antenna parabolica

La Croce del Nord è costituita da una schiera di migliaia di antenne a dipolo formanti una T (Croce di Mills). La sua costruzione iniziò nel 1960 e richiese 7 anni. E' stato progettato per ricevere le radiazioni elettromagnetiche sui 408 MHz ed è stato concepito come uno strumento di "transito", ossia capace di ricevere le radiazioni elettromagnetiche provenienti da un punto dello spazio quando questo, per effetto della rotazione terrestre, si trova sul meridiano celeste del luogo. Il sistema di movimento elettromeccanico prevede, quindi, solo il puntamento in declinazione. Il radiotelescopio Croce del Nord è costituito da 2 serie di antenne: una disposta in direzione E-W (est-ovest) ed una in direzione N-S (nord-sud). Il braccio E-W è costituito da una sola antenna con lo specchio di forma cilindro-parabolica lungo 560 m e largo 35 m. Lungo l'asse focale, parallelo all'asse di rotazione, e a distanza di circa 20 m da esso, si trovano allineati ed equispaziati, a distanza di circa 36 cm, 1536 dipoli che trasformano le onde radio, convogliate su di essi dallo specchio, in tensioni elettriche misurabili. Il braccio N-S è costituito da 64 antenne (anche queste di forma cilindro-parabolica) lunghe 23.5 m e larghe 8 m, disposte parallelamente a 10 m l'una dall'altra. La diversa struttura dei due bracci è dovuta all'impossibilità di realizzare meccanicamente una struttura unica lunga 640 m su un profilo parabolico con dipoli nel relativo fuoco e rotabile attorno ad esso. Sull'asse focale di ciascuna antenna, analogamente al braccio E-W, sono disposti a uguale distanza l'uno dall'altro 64 dipoli.

La cosa più sorprendente, per un profano di telecomunicazioni, è vedere questa struttura costituita non da un fondo pieno come le normali parabole di casa, bensì da un fondo costituito da una trama di fili paralleli distanti tra loro 2 cm (nella figura sottostante si intravedono i fili grazie al loro riflesso). Questo artificio consente, dal punto di vista meccanico, di alleggerire notevolmente la struttura e di minimizzare la sua resistenza al vento; mentre dal punto di vista elettromagnetico non introduce considerevoli svantaggi (questo succede finché la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica ricevuta è molto maggiore della spaziatura tra i fili, quindi vi è un limite alla frequenza massima osservabile).

Complessivamente lo strumento ha un potere risolutivo (cioè una capacità di vedere distinti due oggetti angolarmente vicini) di circa 4'. La grande superficie collettrice di energia lo rende particolarmente adatto per la ricerca su sorgenti extragalattiche.

L'antenna parabolica è invece un enorme riflettore del diametro di ben 32 m.

A differenza della Croce del Nord, il riflettore dell'antenna parabolica è a fondo pieno. Questo è un vantaggio che le consente di lavorare anche su frequenze più elevate (da 327 MHz a 24 GHz). Inoltre, grazie a due potenti motori controllati da un elaboratore, è in grado di ruotare con estrema precisione sui propri assi e di "inseguire" gli apparenti spostamenti di qualunque radiosorgente nel cielo. Questa antenna può operare singolarmente (modalità single dish) oppure in modalità sincrona con altre antenne simili dislocate in vari punti d'Europa. Mediante degli orologi atomici (maser all'idrogeno), queste antenne vengono sincronizzate e osservano tutte la stessa radiosorgente, realizzando così un gigantesco interferometro che va sotto l'acronimo di VLBI (Very Long Baseline Interferometer), uno strumento virtuale capace di raggiungere poteri risolutivi che si otterrebbero solo con antenne paraboliche del diametro di decine di migliaia di kilometri (risoluzioni di 0.001 secondi d'arco, cioè 1000 volte superiori a quelle dei più potenti strumenti ottici).

Un ultimo aspetto curioso di questo affascinante impianto è che per ridurre gli effetti del rumore termico (che ostacola i già deboli segnali provenienti dallo spazio) si è provveduto ad inserire nel fuoco della parabola (dove è alloggiato il ricevitore) un sistema di criogenico ad azoto liquido che lavora ad appena 15 K (cioè oltre -250 °C).

Attività svolte

Nel Centro di Radioastronomia le principali attività di ricerca che si svolgono sono l'osservazione radioastronomica classica (osservazione e studio di corpi celesti nel campo delle frequenze diverse da quelle del visibile, ad esempio radiogalassie, pulsar, quasar, ecc.) e l'analisi dei segnali ai fini della ricerca SETI.

Il programma SETI, nato negli USA negli anni '70 come settore di ricerca della NASA e successivamente privatizzato e gestito dal SETI Institute (dal 1984), raccoglie oggi più nazioni le quali hanno come obiettivo comune la ricerca di segnali artificiali, ovvero prodotti da forme di vita intelligenti differenti dalla nostra, e dell'eventuale interpretazione.

Riuscire in una simile impresa è un compito altamente arduo, in quanto le incognite al riguardo sono molteplici: non si conoscono i parametri e la tipologia di segnale da cercare (frequenza operativa, direzione di provenienza del segnale, modulazione ed eventuali codici usati…).

In situazioni caratterizzate da così poche certezze è necessario, in ambito scientifico, operare delle ipotesi semplificative del problema. In questo particolare caso si è deciso di studiare solo particolari frequenze come quella alla quale l'idrogeno neutro emette e assorbe energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche (1420 MHz). Questa scelta è stata dettata dalla speranza che l'eventuale essere intelligente decida di comunicare attraverso un canale fondamentale in natura secondo i suoi costituenti elementari uguali ovunque nello spazio, come è appunto l'idrogeno.

Analisi dei segnali

Il segnale raccolto dall'antenna viene elaborato da un analizzatore di spettro (non ci addentriamo nei particolari), che nel caso dell'antenna parabolica è stato fornito dal SETI Institute (il cui nome è Serendip IV) mentre per la Croce del Nord è stato appositamente progettato e costruito dall'Ing. Stelio Montebugnoli.

Il segnale ricevuto è in entrambi i casi analizzato da potenti processori (DSP, Digital Signal Processors) che tentano di riscontrare la presenza di un segnale periodico elementare (cioè monocromatico in termini di frequenze) annegato nel rumore che arriva indistintamente da ogni regione dello spazio (rumore di origine non artificiale).

Lo strumento matematico che si utilizza per condurre questa analisi è la Trasformata di Fourier (FT): il segnale ricevuto viene scomposto nella somma di un certo numero di onde armoniche elementari di ampiezza e frequenza differenti e tra queste si cerca di individuare un'eventuale onda dominante, in termini di energia trasportata, la quale rappresenterebbe il segnale artificiale. Sui calcolatori la trasformata di Fourier viene implementata numericamente mediante un algoritmo veloce (FFT, Fast Fourier Transform) che consente di analizzare completamente il contenuto armonico del segnale ricevuto in tempo reale.

L'innovazione introdotta dal SETI Italia, in aggiunta alla FFT, è stata l'introduzione della Trasformazione di Karhunen-Loéve (KLT), su suggerimento del Dott. Maccone il quale ne ha effettuato uno studio delle caratteristiche fondamentali e applicative.

Il vantaggio principale della KLT rispetto alla FFT, sta nella capacità di questo strumento matematico di scomporre il segnale in esame non solo in una serie di onde armoniche elementari, ma in una serie di funzioni qualsiasi che per giunta la KLT è in grado essa stessa di determinare. Dunque la KLT prima determina automaticamente quali sono le funzioni elementari che se sovrapposte descriverebbero al meglio il segnale ricevuto (gli ingredienti) e poi ne determina l'intensità relativa (le dosi).

Rocca di Imola 

E per completare la nostra visita nei dintorni di Bologna, abbiamo voluto dare uno sguardo al passato, e più precisamente al Medioevo, attraverso uno dei castelli degli Sforza, presente appunto a Imola, nel quale è stato realizzato un museo delle armi utilizzate in quel tempo di cui diamo un accenno con l'immagine sotto riportata. Ovviamente il panorama che viene offerto è enormemente più vasto (dalle pistole inserite nella cintura per sorprendere gli avversari agli strumenti utilizzati per convincere le persone a… parlare alla disposizione dei servizi igienici utilizzati all'epoca) e merita veramente di essere visitato qualora ci si trovi a Imola.

Per respirare l’atmosfera dei temi trattati suggeriamo i seguenti film:

"Contact": da una presentazione della realtà SETI, ispirandosi a personaggi realmente esitenti, si apre una parentesi di riflessione e interpretazione della raltà condita da una buona dose di buona fantascienza. Tratto dal romanzo omonimo di Carl Sagan.

"Meteor": in aggiunta ai classici "Armageddon" e "Deep Impact" consigliamo un vero classico film fantapolitico, ormai un po’ datato, che probabilmente rimane quello più attendibile qualora si dovesse far fronte ad una eventualità simile.

"Il mestiere delle armi" di Ermanno Olmi.

Maggio 2003

Domenico Caliendo, Luca Derosa, Christian Maria Firrone